寬帶電抗減少的天線陣列的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請設(shè)及并要求于2012年4月4日提交的美國臨時專利申請第61/620,384 號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。本申請還設(shè)及與本申請相同日期提交的標(biāo)題 為"用于超方向性天線陣列的寬帶非福斯特去禪網(wǎng)絡(luò)"的美國專利申請第13/856, 403號 (代理人卷號627593-8)。另外，本申請還設(shè)及與本申請相同日期提交的標(biāo)題為"寬帶電抗 抵消的天線陣列"的美國專利申請第13/856,375號（代理人卷號627436-4)。另外，本申 請還設(shè)及與本申請相同日期提交的標(biāo)題為"非福斯特去禪網(wǎng)絡(luò)"的PCT申請（代理人卷號 627648-9)〇
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或發(fā)展的聲明
[0004]無
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 提出的是預(yù)期比現(xiàn)有技術(shù)更加高效的天線陣列。該陣列；（i)能夠產(chǎn)生超方向性 波束（beam) ;(ii)可W電??；W及（iii)可同時產(chǎn)生超方向性波束并且電小。該陣列具有 寬帶電抗抵消。
【背景技術(shù)】
[0006] 超方向性天線通常包括緊密靠近的兩個或W上的發(fā)射元件（發(fā)射（或接收）元件 的間隔<A/4,其中A是將被天線發(fā)射和/或接收的信號的波長）。
[0007] 天線陣列在大量應(yīng)用中使用：通信、雷達、信號情報等。天線陣列最具吸引力的特 征可能是波束合成和可重構(gòu)性。例如，相位陣列（phasedarray)具有可被重構(gòu)到不同方向 上的點的一個或多個波束或者通過改變施加到每個天線元件處的信號的權(quán)重（相位和/或 幅度）而具有不同的波束特征。在數(shù)字波束賦形（digitalbeanrforming)陣列中，可在每 個元件處獨立地記錄信號，波束可在后處理中形成。本領(lǐng)域公知的多輸入和多輸出（MIM0) 技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中非常重要，該是因為其提供了數(shù)據(jù)吞吐量的改進，同時無需使用額 外的帶寬或者增加發(fā)射功率。
[000引在文獻中可W獲得說明了如何a)增加陣列的方向性而不增加物理尺寸W及b)在 福射方向圖中產(chǎn)生將提供抗干設(shè)或干擾信號的零位（null)的陣列合成技術(shù)。但是，該些技 術(shù)在實際陣列中由于互禪的原因而具有嚴格的限制。具體地，公知的是現(xiàn)有技術(shù)的超方向 性天線陣列具有高Q，因此受到相應(yīng)的效率/帶寬限制。由于該限制，超方向性天線陣列被 廣泛地認為是有問題的，因此沒有大范圍部署。本發(fā)明將超方向性天線的Q值降低了十倍 W上，在超方向性天線的實際增益（RF效率）中提供了大于10地的改善。該Q值的降低對 產(chǎn)生方向圖零位而言同樣有幫助。
[0009] 電小天線是指比它們所要接收的射頻波長更?。ɑ蚨蹋┑奶炀€。傳統(tǒng)的全長天線 通常是波長尺寸的1/4或1/2。對于用于一些手持式裝置應(yīng)用的頻率，需要小得多的天線。 電小天線可定義為其元件是其所要接收的射頻波長的1/1〇(或更?。┑奶炀€。電小天線還 趨向于具有高Q，因此相比傳統(tǒng)天線，它們趨向于具有小帶寬。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)可包括：
[0011] 無源超方向性陣列；存在許多揭示了實現(xiàn)大帶寬和高效率的困難的學(xué)術(shù)著作 (1922年從化een開始）。兩個關(guān)鍵結(jié)論是：優(yōu)化方向性導(dǎo)致極高的Q;互禪導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計困難。具有< -20地的效率的天線很少實現(xiàn)。實際限制是：
[0012] (1)高天線Q□小帶寬；
[001引 似低福射電阻□低效率；W及
[0014] (3)緊密公差□難W實現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)
[0015] 就該主題的論文，參見1981年2月出版的ProceedingsoftheI邸E,V. 69,no. 2 由R.C.Hansen撰寫的"FundamentalLimitationsinAntennas"。
[0016] 使用放置在發(fā)射元件之間的超材料來將它們?nèi)ザU；參見，例如，2007年4月出版的 IEEETrans.Antenn.Prop.中由K.Buell等人撰寫的"MetamaterialInsulatorEnabled SuperdirectiveArray"。該方法的缺點是；
[0017] (1)窄帶寬；
[001引 （2)僅適用于印刷天線；
[001引 做制造復(fù)雜；W及
[0020] (4)不易調(diào)諧。
[0021] 有源天線：采用晶體管有源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)直接饋電天線。該是有用的，因為晶體 管有源組件輸入和輸出分別通過開路（opencircuit)和硬源化ardsource)來近似。因 此，互禪不產(chǎn)生影響。但是，該些天線沒有匹配，導(dǎo)致低接收器靈敏度和低發(fā)射效率。例 如，參見 1974 年EluropeanMicrowaveConference,M.M.Dawoud和A.P.Anderson的文章 "SuperdirectivitywithappreciableBandwidthinArraysofRadiatingElements FedbyMicrowaveTransistors"。
[0022] 數(shù)字波束賦形：在每個天線元件處的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器將信號數(shù)字化使得可 在數(shù)字域中形成任意波束。此外，互禪可W計算在波束中（參見2004年8月出版的 IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol. 52,No. 8,pp. 2034-2041 中由 C.K.EdwinLau,RavirajS.Adve和TapanK.Sarkar撰寫的文章"MinimumNormMutual CouplingCompensationWithApplicationsinDirectionofArrivalEstimation")。 但是，物理阻抗匹配僅對單福射方向圖有效，導(dǎo)致其他方向圖的接收靈敏度受限。此外，需 要高分辨率和高動態(tài)范圍的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)超方向性圖。
[0023] 去禪網(wǎng)絡(luò)；去禪網(wǎng)絡(luò)從天線陣列產(chǎn)生具有正交方向圖的獨立模態(tài)。該些模態(tài) 可W獨立匹配并用來合成任意的福射方向圖。但是，該方法不減小天線Q。參見2008 年出版的IE邸AWPLvol.7 由化ristianVolmer,MetinSengul,JornWeber,Ralf Ste地en和MatthiasA.Hein撰寫的文章"BroadbandDecouplingandMatchingofa SuperdirectiveTwo-PortAntennaArray"。
[0024]多模天線結(jié)構(gòu)：該技術(shù)通過導(dǎo)體將鄰近天線連接W將它們?nèi)ザU。該方法是窄帶的 并且改變了結(jié)構(gòu)的福射模態(tài)。此外，看起來只適用于少數(shù)元件。參見美國專利第7, 688, 273 號。
[0025] 用于單天線的非福斯特匹配電路；參見下列文檔W及評述：
[0026] 2009 年 8 月 出版的IE邸lYans.AntennaPropagat. ,vol. 57,no. 8 由 S.E.Sussman-Fort和R.M.Rudish撰寫的"Non-Fosterimpedancematchingof electrically-smallantennas"。
[0027] 1953 年 6 月出版的Proc.IRE,vol. 41，no. 6 第 725-729 頁由J.G.Linvill撰寫的 "TransistorNegativeImpedanceConverters"。
[0028] 該個現(xiàn)有技術(shù)更設(shè)及單天線而不是天線陣列。
[0029] 與陣列元件串聯(lián)連接或連接在大型陣列中的偶極端之間的非福斯特匹配網(wǎng)絡(luò)：參 見下列文檔及評述：
[0030] (1) 2005 年出版的AntennaApplicationsSymposiumDigest由 S.E.Sussman-Fort和R.M.Rudish撰寫的"Progressinuseofnon-Fosterimpedances tomatchelectrically-smallantennasandarrays"。
[0031] (2) 2003年8 月 20 日出版的MicrowaveandOpticalTechnologyLetters, 38 巧） 由R.C.Hansen撰寫的"WidebanddipoleArraysUsingNon-FosterCoupling"。
[0032] (3)適用于大型陣列，不適用于超方向性。計算對傳統(tǒng)相位陣列掃描有效。
[0033] (4)不同時匹配所有模態(tài)。
[0034] 已經(jīng)探索超方向性90年，但由于導(dǎo)致高天線Q，其仍舊被認為是不切實際的。超方 向性現(xiàn)有技術(shù)中無法降低天線Q。先前的方法要么產(chǎn)生窄帶寬結(jié)果，要么效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[00巧]于此呈現(xiàn)的技術(shù)設(shè)及能夠產(chǎn)生超方向性波束的天線陣列，其比現(xiàn)有技術(shù)中可得到 的RF效率更高。該通過使用非福斯特電路（NFC)抵消陣列自電抗和互電抗來實現(xiàn)，從而極 大地降低了天線品質(zhì)因數(shù)Q(此處Q用作電抗與福射阻抗之比）。非福斯特電路采用有源器 件，因此不受福斯特阻抗定理（其指出任意無源無損單端網(wǎng)絡(luò)的電抗或電納必須隨頻率增 加而增加）的約束。典型的NFC是負電容器（其具有電抗其中C是電容而《 是角頻率）和負電感器（其具有電感X= -? |L|，其中L是電感而《是角頻率）。
[0036] 本發(fā)明能夠用于許多天線應(yīng)用中，不限于用于超方向性陣列。超方向性陣列只是 具有高Q并由此具有小帶寬的天線系統(tǒng)的一個示例。本發(fā)明能夠改善任意天線或天線系統(tǒng) 的帶寬，因此其既不限于超方向性陣列也不限于電小天線。本發(fā)明可W用在MIM0應(yīng)用中。
【附圖說明】
[0037] 圖la-圖le是3元件天線陣列的示意表示圖。圖la中示出了互禪阻抗狂21、Z22 和Z23)，圖化中示出了自禪和互禪減輕電路狂S1、Zs2和Zs3;化及Zci2和Zc23)。此外，圖Ic 和圖Id分別示出可產(chǎn)生單（圖Ic)波束和多個同時（圖Id)波束的波束賦形網(wǎng)絡(luò)。圖le 是3元件天線陣列通過去禪網(wǎng)絡(luò)、放大器和相位控制器與公共端禪接的示意圖。
[0038] 圖2a示出了由四個單極天線10構(gòu)成的4元件Adcock陣列的天線幾何圖形，而圖 化示出了在圖2a的4元件Adcock陣列中使用四個非福斯特負電容器（-Q的用于互電抗 抵消的結(jié)構(gòu)，圖2c示出了具有連接在相鄰天線元件10之間的非福斯特電路（NFC)而不具 有互電抗抵消（不匹配）的模態(tài)電抗。只有由四個單級天線10制作的4元件Adcock陣列 的下面部分在圖化中示出，W便更容易地示出四個非福斯特負電感器（-Ce)。
[0039] 圖3a示出了使用負電容器進行自電抗和互電抗抵消的4元件Adcock陣列的結(jié) 構(gòu)，圖3(b)示出了只串聯(lián)理想NFC的情況W及串聯(lián)并在元件間設(shè)置理想NFC的情況下的信 噪比的改善。
[0040] 圖4a示出了用于8元件Adcock陣列的互電抗抵消電路的結(jié)構(gòu)。圖4b示出了只 串聯(lián)理想NFC的情況W及串聯(lián)并在元件間設(shè)置理想NFC的情況下的信噪比的改善。
[0041] 圖5a和圖化示出了 2元件Adcock陣列的兩種可能實施例，其中各個發(fā)射元件均 是偶極天線。
[0042] 圖6a示出了 2元件天線陣列的幾何形狀，其中發(fā)射元件是單極天線并且電容器Cs 和Cp是負電容器并分別抵消自電抗和互電抗，而圖化示出了遠場福射阻抗。
[004引圖7示出了針對無源陣列仿真的偶模電抗和奇模電抗（曲線圖（a))、奇模匹配陣 列（曲線圖化)）、偶模匹配陣列（圖（C))和雙模（奇模和偶模）匹配陣列（圖（d))的四 個曲線圖。
[0044] 圖8示出了在假設(shè)圖6a的天線的2。= 50歐姆的情況下，無源（黑色）陣列和具 有理想負電感器的非福斯特強化（灰色